автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.14, диссертация на тему:Методы оперативного управления канальными ресурсами в цифровых телефонных сетях

, о

од

На правах рукописи

Альтерман Лев Ефимович

МЕТОДЫ ОПЕРАТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ КАНАЛЬНЫМИ РЕСУРСАМИ В ЦИФРОВЫХ ТЕЛЕФОННЫХ СЕТЯХ

Специальность 05.12.14 - Сети, узлы связи и распределение информации

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1998

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А.Бонч-Бруевича

Научный руководитель - д.т.н., проф. А.Н. Берлин

Официальные оппоненты: д.т.н. Л. Е. Кучерявый к.т.н. Н.Э. Ткачман

Ведущее предприятие - ГП "Масштаб"

Защита диссертации состоится \99^г. в -^С час. на

заседании диссертационного совета К 118.01.01 при Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А.Бонч-Бруевича по адресу: ,

191186 СПб, наб. р. Мойки, 61.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью учреждения, просим направлять по вышеуказанному адресу на имя секретаря диссертационного совета

¿Ь

У

Автореферат разослан .......V.'............. 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кадидат технических наук, доцент / В. X. ХАРИТОНОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В современных цифровых телефонных сетях передача информации между узлами коммутации осуществляется по цифровым соединительным линиям (СЛ), обеспечивающим организацию большого числа телефонных каналов (от нескольких десятков до десятков тысяч). Цифровые С Л базируются на оборудовании систем передачи первичных сетей, которое может включать в себя как системы плезиохронной цифровой иерархии (ППИ), так и синхронной (СЦИ).

Независимо от технологии систем передачи, они используют линии связи (ЛС), как правило, на базе медного или оптоволоконного кабеля. Наиболее уязвимыми с точки зрения надежности являются именно ЛС, при выходе из строя которых уменьшается количество доступных С Л между узлами коммутации (УК). В некоторых случаях это приводит к полной потере связи между УК. Один из путей борьбы с нарушениями ЛС - управление потоками вызовов в самой телефонной сети: маршрутизация вызовов либо динамическое управление. Однако такое управление является недостаточно оперативным по причине отсутствия во вторичной сети данных об эксплуатационно-техническом состоянии (ЭТС) оборудования первичной сети, включая процесс восстановления. Другой путь связан с управлением канальными ресурсами телефонной сети средствами первичной сети.

Такое управления стало реальным с появлением в первичных сетях оборудования цифровых кросс-коннекторов (ЦКК), позволяющего переключать цифровые ЛТ. Тем самым обеспечивается и управление канальными ресурсами телефонной сети. Для реализации оперативного управления ЛТ необходимо обладать информацией об их ЭТС, а также о всей сети в целом. В настоящее время разработаны и внедрены на многих сетях связи ком-

пьютерные системы поддержки технической эксплуатации ЦКК и цифровых систем передач (ЦСП), позволяющие собирать аварийную информацию, обрабатывать ее и хранить.

Вместе с тем вопросы автоматизации оперативного управления ресурсами сети с помощью ЦКК на настоящий момент слабо изучены. Реализация систем поддержки оператору в принятии решений ограничивается, в основном, выдачей более наглядной и отфильтрованной аварийной информации, полученной от элементов сети.

Задача моделирования первичной сети связи и выбора оптимального плана распределения каналов на основе методов линейного программирования для стационарных условий рассмотрена в работах В.Г. Лазарева, Г.Г. Саввина, R.S.Kalaba, M.L. Juncosa. В работах A. Dutta предложена целочисленная модель сети и разработан эвристический метод решения на основе множителей Лагранжа.

В большинстве работ, посвященных этой проблеме, предложены алгоритмы планирования и оперативного распределения каналов, основанные на использовании метода линейного программирования. При этом оптимизация целевой функции осуществляется на основе одного критерия эффективности. При многокритериальной оценке с использованием множителей Лагранжа в качестве критериев эффективности выступает один из нескольких частных критериев, а остальные вынесены в ограничения. При наличии более 3-х критериев математическая модель становится сложной, и требуются эвристические методы расчета.

Между тем на практике при анализе состояния сети и решении вопроса о распределении ресурсов каналов приходится учитывать множество факторов. Однако в существующих системах управления эксплуатацией систем связи отсутствуют авто-

матизированные средства, позволяющие выработать решение па основе многокритериальной оценки.

Делъ работы. Целью данной работы является исследование и разработка методов распределения канальных ресурсов цифровой телефонной сети средствами первичной сети. Непосредственно практической задачей работы является разработка алгоритмов и функциональной структуры подсистемы поддержки принятия решения при переключении линейных трактов и каналов с помощью ЦКК.

Методы исследования. При решении поставленной задачи использовались методы исследования операций, теории выбора и принятия решений, численные итерационные методы, метод анализа иерархий (МАИ) и методы теории нечетких множеств.

Научная новизна.

1. Предложен метод управления канальными ресурсами цифровой телефонной сети на основе многокритериальной оценки и выбора из области допустимых решений.

2. Для реализации этого подхода применен метод МАИ, использующий экспертные оценки, и теория нечетких множеств.

3. Разработаны алгоритмы оперативного управления канальными ресурсами на основе предложенных методов.

4. Для формирования ранжированного множества альтернатив распределения JIT предложено применение подсистемы поддержки принятия решений.

5. Для оценки необходимости и возможности реконфигурации введены два порога: порог реконфигурации, при превышении которого направление начинает конкурировать за ресурсы исправных JIT, и порог критический, превышение которого недопустимо для данного направления.

6. Предложены алгоритмы формирования парето-

оптимального плана распределения канальных ресурсов для сетей с одинаковой и различной пропускной способностью.

Личный вклад. Основные научные результаты работы получены автором самостоятельно.

Практическая ценность. Теоретические и практические результаты работы позволяют обосновать целесообразность использования метода оперативного управления канальными ресурсами телефонной сети с помощью ЦКК, а также экспертных оценок при принятии решений о переключении линейных трактов ЦСП. В работе получены следующие практические результаты:

- разработан алгоритм распределения ресурсов каналов и трактов на основе методов МАИ и нечетких мер;

- исследованы функциональные и информационные взаимодействия подсистемы поддержки принятия решений при переключении Л Т ЦСП с другими системами, реализующими функции поддержки технической эксплуатации;

- построена программная модель подсистемы поддержки принятия решений на основе предложенных методов распределения канальных ресурсов .

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на международных конференциях по информационным сетям и системам (КИСС-93, Санкт-Петербург, 1993; ЮШАБ-Эб, Санкт-Петербург, 1996), на семинарах и научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГУТ им. проф. М. А. Бонч-Бруевича в 1993-1996 гг.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 6 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 77 на-

именований и двух приложений. Работа содержит 166 страниц машинописного текста, включая 40 рисунков и 9 таблиц.

Огмовные положения, выносимые, на защиту:

- подход к управлению канальными ресурсами цифровой телефонной сети на основе переключения линейных трактов первичной сети с помощью IIKK.

- результаты исследований по использованию МАИ, нечетких оценок и мер в задаче распределения канальных ресурсов;

- математические модели и алгоритмы принятия решений по распределению канальных ресурсов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследуемой проблемы, сформулирована цель диссертационной работы, раскрыта ее научная новизна и практическая значимость, приведены основные результаты диссертации, а также сведения об апробации, публикациях, изложены основные тезисы, выносимые на защиту и краткое содержание последующих глав.

В первой главе проведен анализ существующих средств управления канальными ресурсами цифровой телефонной сети, рассмотрены современные методы технической эксплуатации систем связи и показана необходимость использования подсистем поддержки принятия решений при управлении канальными ресурсами.

Во второй главе рассмотрен метод распределения канальных ресурсов цифровой телефонной сети путем переключения ЛТ ДСП. Проблема перераспределения ресурсов JIT поставлена как задача принятия решения о реконфигурации сети JIT. Она

определена следующим кортежем:

<{2y,L,Opt>, (1)

где Qу - некоторое универсальное множество альтернатив, L -ограничения и Opt - принцип оптимальности, определяющий наилучшие альтернативы, ранжированные по этому принципу. Решением этой задачи является множество оптимальных альтернатив ft0pt- Окончательный выбор одного из них осуществляет лицо, принимающее решение (ЛПР).

Принцип оптимальности выражен парой < K.opi,C >, где JC0pt представляет собой некий критерий оптимальности, а С - целевая функция для этого критерия. В работе рассмотрена многокритериальная задача, для которой существует обобщенный критерий в виде

ICopt = F(Xi,X2, ■ ■ ■ ,XS), (2)

где Х\,Х%,. ,.,Xa - частные критерии.

В качестве функции, определяющей связь обобщенного критерия оптимальности с частными критериями в данной главе использована функция свертки критериев:

s

ICoptj = ^Twi/^Zi), (3)

¿=1

где Wi и fj(x{) соответственно веса и значения оценок частных критериев для j-й альтернативы.

Вначале рассматривается многокритериальная задача при условии одинаковых весов критериев. При этом ( 3) примет вид

S

к»* = £/>(*.■)■ (4)

«=1

Для формирования ограничивающих условий и критерия оптимальности введены следующие частные критерии, характеризующие участки ЛТ ИКМ:

относительный приоритет направления тракта--

% неисправных систем в направлении -протяженность участка реконфигурации линейного тракта, определяемая числом участков ЛТ - г^.

Для характеристики пути реконфигурации введен обобщенный критерий

к, = + гы/ ,тах (5)

Ми

Здесь Р{ - обобщеный критерий г-го направления ЛТ, а Мы -множество потенциальных путей реконфигурации ц3к1 на участке к.1. Обобщенный критерий направления

Pi = + ' (6)

Vamax Vi

где —^--отношение приоритета данного направления к максимальному из приоритетов всех направлений сети; uKCi- число неисправных систем для г-го направления, Vi - общее число систем, установленных в этом направлении.

Для оценки условий управления ресурсами направлений введены два порога допустимых значений для Р^. P,peк - порог, при достижении которого, это направление начинает конкурировать за ресурсы исправных участков ЛТ ; РгКрит " характеризует порог, выше которого недопустимо использовать собственные ресурсы ЛТ в этом направлении для реконфигурации в пользу более приоритетных направлений.

Необходимость реконфигурации отказавшего направления определяется при сравнении обобщенного критерия направления

с порогом Р!рек- При превышении порога возникает задача принятия решения о реконфигурации ЛТ.

Рассмотрены случаи, когда помимо неисправного участка ЛТ, для которого поступила заявка, учитывается возможность существования других неисправных участков по всей сети в этом же или других направлениях. Разработаны алгоритмы оптимального распределения трактов как на одном участке ЛТ, так и при реконфигурации сети с учетом обходов через промежуточные узлы. При наличии обходов через промежуточные узлы для формирования ИМА Л/ используются следующие ограничения:

Рг Ргкрит

г\1 < тах{гА,}. (8)

А/6Л;

Здесь - узлы, на которых направление -"акцептор" ic-

обладает наибольшим рангом, а /„^ ^^-подмножество направлений, проходящих через эти узлы. При ограничении двумя участками путь через узлы

Хгп}ЧУп3 = Ут^дЬ^щд!.}' (9)

где х и у - номера трактов соответственно на участках (ту, д1-) и

Для пути введена обобщенная оценка по направлению (вес) 9(Ка>п )= №1 „1,Ф* »), (Ю)

п^ У у ,

где 1рг ,, ф3 , - комплексная многокритериальная оценка напра-

т] У] пзЯу

влений. Комплексный критерий оптимальности пути определяется функцией от частных критериев

(Н)

Здесь д - вес пути; г - число участков пути; v - число выключаемых систем; h - качество пути.

Множество оптимальных альтернатив Лор( определено целевой функцией

СЛ = min fr. (12)

л ел/

Множество оптимальных планов распределения JIT ü^pt определяется через

Разработаны также алгоритмы оптимального распределения трактов в сетях с разной пропускной способностью. Рассмотрена сеть, часть узлов которой, связаны между собой вторичными JIT (ВЛТ) порядка по принципу каждый с каждым. Другие узлы осуществляют между собой связь через узлы первой группы и подключены к ним через первичные JIT (ПЛТ). Узлы первой группы могут осуществлять коммутацию любых ВЛТ, подключенных к ним, в любом возможном направлении (т.е. направлении, обеспечивающем связь с соседним узлом первой группы). Рассмотрен вариант реконфигурации неисправного ЛТ (ш, п) через промежуточные узлы. Для участка (тп, q) (q—промежуточный узел, через который осуществляется обход) определено множество F, характеризующее распределение ЛТ (т, q) по составляющим потокам с учетом потоков ЛТ (т, п):

F ~ {^mnt Imm • • ■ > ^mni^mqi ^mqi • • ■ i (13)

здесь 1гтп и l'mq - составляющие потоков для ЛТ (т, п) и (т, q) соответственно. На основе множества (13) сформировано подмножество F', которое определяет вариант организации ЛТ (тп, q) на базе множества F:

F = {l-mqi Imqi • • • > ^mq\i (l^)

Принадлежность элементов множества F подмножеству F' определена с помощью следующей характеристической функции подмножества F':

m /0, I £ F'\ ....

= ¡If,] US)

Определим подмножество F" такое, что F'UF" = F. Оптимальный выбор для тракта должен удовлетворять следующему условию:

V/' G F', V/" 6 F" ifi(l') > ф(1"), (16)

где ф{1) -комплексная оценка тракта /, a F" - дополнительное множество к F'. В работе доказано, что если для тракта существует распределение потоков, удовлетворяющее условию (16), то это распределение единственное.

Рассмотренные методы реконфигурации JIT были исследованы для сетей ПЦИ, однако они справедливы и для сетей со смешанной архитектурой, содержащей цифровые потоки ПЦИ и СПИ, а также для сетей СПИ.

В третьей главе число критериев расширено по сравнению со предыдущей и рассмотрена комплексная оценка с учетом неодинаковых весов критериев. Для многокритериальной оценки выбран метод анализа иерархий (МАИ), относящийся к числу парето-оптимальных. В МАИ для оценки важности весов критериев используется способ собственного вектора. На основе суждений эксперта определяются попарные оценки значимости критериев, характеризующих определенные альтернативы. С учетом этих оценок определяются веса критериев и формируются комплексные оценки для последующего принятия решения.

Используя этот метод, процесс принятия решений при переключении ЛТ представлен в виде иерархии, где основным объектом управления является направление межстанционной или ме-

жузловой связи. Каждое направление характеризуется рядом критериев, которые принимаются во внимание при управлении ЦКК. Они составляют второй уровень иерархии. На третьем уровне находятся альтернативы принятия решений по распределению трактов в ЦКК.

Целью управления ЛТ является перераспределение ресурсов в условиях, когда часть из них неисправна и находится в ожидании ремонта, либо в процессе восстановления. Ресурсы перераспределяются между направлениями связи с учетом их важности и потребностей, как текущих, так и прогнозируемых.

В данной главе рассмотрена одна из основных подзадач оперативного переключения трактов - ранжирование вариантов выбора. Обобщенный критерий оптимальности по методу МАИ определен в виде свертки частных критериев, а целевая функция для выбора направления -"акцептора"

С = тах{/Сор<.}, (17)

з

На основе теории нечетких множеств и, в частности, нечетких мер получены два дополнительных критерия оптимальности:

п

= - ■ тах^Ос) (18)

1=1 хеА'

п

к%ь - ~ ' /»'О®)- (19)

Здесь - веса критериев, расположенные в порядке возрастания; ^I — Ц1-1 - разница соседних по величине весов критериев; А1 -четкие подмножества, содержащие критерии, веса которых

(II > ц.

Используя целевую функцию (17), а также приведенные выше критерии опимальности (18) и (19), получаемых два дополни-

тельных условия оптимальности.

Веса критериев рассчитаны на основе МАИ. С помощью этого метода сформирована матрица попарного сравнения критериев А размером п X п. Коэффициенты этой матрицы а^ определяются путем экспертной оценки при попарном сравнении критериев ста ¡1. ЛПР задается вопрос: "Насколько важен критерий оценки с по сравнению с ¿V В зависимости от ответа получаются числовые значения аСй в диапазоне от 1 до 9.

Для определения значений весов ги, найдены максимальное -собственное значение Апшг матрицы А и соответствующий ему собственный вектор весов $ из следующего векторного уравнения 1-го порядка:

АЙ? = Ш. (20)

Уравнение (20) решено численными методами. Для определения наибольшего собственного значения и соответствующего ему собственного вектора использован метод итераций. Этот метод не всегда обеспечивает сходимость. Однако в работе доказана правомерность его использования для нахождения собственного значения матрицы такого типа.

Используя полученные веса, проведено ранжирование вариантов направлений с применением указанных выше целевых функций. На основе анализа опыта эксплуатации ПСП на местных сетях связи в качестве примера выбраны следующие критерии, определяющие значимость направлений при переключении ЛТ:

% неисправных систем в направлении',

состояние неисправных участков- % перемонтируемых систем в данный момент;

интенсивность удельной нагрузки в направлении;

приоритет направления - это понятие характеризует важность того или иного направления и его значение определяется на основе нормативных документов, либо оценивается на основе стоимостных характеристик направления;

часы наибольшей нагрузки (интервалы ЧНН) - для каждого направления могут существовать свои ЧНН (утренний, дневной и вечерний), которые представляются с помощью нечетких чисел. Оценкой по указанному критерию для каждого направления будет степень соответствия собственному ЧНН.

Для отображения 4-х первых критериев введены нечеткие понятия типа " чем выше(больше), тем лучше". Этому понятию соответствуют функции принадлежности нечеткого числа, имеющие линейный вид с насыщением в точке, соответствующей максимальному (с точки зрения ЛПР) значению критерия. Функции принадлежности для указанных критериев приведены на рис. 1.

О 0.1 0.2 0.3 0.4 0.6 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.8 0.7 0.8 0.9 1

приоритет направления удельная нагрузка

0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100

% неисправных систем %неремонтируемых систем

Рис. 1. Функции принадлежности для критериев х1-х4: а - "как можно болеее высокий"; б - "как можно болеее высокая" в - "как можно более высокий"; г -"как можно более высокий"

Критерий "ЧНН" связан с различными временными ин-

тервалами часов наибольшей нагрузки для разных направлений. При этом ЧНН сдвинуты друг относительно друга. Так направления, связанные с производственным сектором будут иметь преобладающий дневной ЧНН, в то время как направления, преимущественная доля нагрузки на которых приходится на квартирный сектор, - вечерний ЧНН. В этом случае нечеткое понятие "ЧНН" будет выражаться нечетким числом в виде трапеции. Функции принадлежности для критерия "ЧНН" приведены на рис. 2.

а)

1 0.8 0.6 0.4 0.2 0

б)

1 0.8 0.6 0.4 0.2 0

0 3 6 9 12 16 18 21 24

часы

0 3 6 9 12 15 18 21 24

часы

Рис. 2. Функции принадлежности для критерия ЧНН: а - для направлений с выраженным дневным ЧНН б - для направлений с преобладающим вечерним ЧНН

В четвертой главе исследованы вопросы реализации подсистемы поддержки принятия решений при переключении JIT ЦСП. Рассмотрены функциональная и информационная модели сети ЦСП ПЦИ и отдельных ее элементов на основе транспортной сети. Разработана структура функционального взаимодействия комплекса поддержки принятия решений при переключении JIT ЦСП (ППЛТ) и других подсистем, реализующих функции технической эксплуатации, а также исследовано их информационное взаимодействие на основе объектно-ориенированного подхода.

Разработана структурная схема основного блока подсистемы ППЛТ - блока комплексной оценки, состоящего из подблока расчета критериев, подблока формирования матрицы текущих

оценок и основного подблока, формирующего суммарные значения оценок, и программная модель подсистемы ППЛТ, включая составляющие ее модули.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основе проведенного анализа систем управления ЦКК показана актуальность проблемы и поставлена задача распределения канальных ресурсов в цифровых телефонных сетях путем переключения линейных трактов цифровых систем передачи. Для ее решения использованы методы теории выбора и принятия решений с применением нескольких критериев оценки. Рассмотрены случаи использования критериев как с одинаковыми, так и с различными весами.

2. Разработаны алгоритмы оптимального распределения линейных трактов в сетях с одинаковой и различными пропускными способностями ЛТ.

3. Предложено применение методов теории нечетких множеств для ранжирования вариантов распределения линейных трактов.

4. Предложены критерии оценки вариантов и комплексные оценки на основе МАИ и несуммируемых нечетких мер.

5. На основе предложенных методов разработаны математическая модель и алгоритмы принятия решений при переключении трактов, функциональная архитектура подсистемы поддержки принятия решений, а также программная модель позволяющая в диалоге с оператором, ответственным за принятие этого решения, оказать поддержку в выборе наиболее подходящего в данных условиях варианта.

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Альтерман Л.Б. О перспективах использования экспертных систем в сетях управления электросвязью//2-я конференция КИСС-93:Тез. ЯОКЛ./СП6ГУТ.-СП6, 1993.-С.77-78.

2. Альтерман Л.Е., Берлин А.Н. О методах управления ресурсами каналов в первичных сетях связи//Анализ сигналов и систем связи: Сб. науч. тр. учеб. завед. связи/СПбГУТ.-СПб, 1996.-С.102 - 108.

3. Альтерман JI.E. Нечеткие методы в управлении ресурсами линейных трактов//Петербургский журнал электроники.-199б.- №1.- С.49 - 57.

4. Альтерман Л.Е., Берлин А.Н. Иерархический метод принятия решений в задаче переключения линейных трактов цифровых систем передачи/ДГелекоммуникационные технологии,- 1996.-Вып.2.-С.58-69.

5. Альтерман Л.Е., Берлин А.Н. Использование экспертных оценок и нечетких множеств в управлении цифровыми кроссовыми узлами (в печати).

6. Альтерман Л.Е. Подсистема поддержки принятия решений при управлении конфигурацией линейных трактов ЦСП.//4-Й Международный форум по информатизации. ICINAS-96. СПб, 16-19 сент.:Тр./ЛОНИИС.-СП6Д996.-С.352-362.

Подписано к печати 15.03.98. ЛР N° 020475 от 29.04.98. Объем 1печ. Л. Тир. 60 экз. Зак.

Тип. СПбГУТ. 191186, Спб, наб. р. Мойки, 61